이제 EV 화재 끝, 과충전 시 배터리 화재 예방하는 분리막 개발

과충전에 의한 배터리 화재 막을 수 있는 분리막 개발 

배터리를 구성하는 주요 4가지 부품 중 화재에 가장 큰 영향을 미치는 것이 바로 분리막(separator)입니다. 부리막은 양극과 음극을 구분 지어주는 다공성의 필름으로 리튬이온만을 걸러주는 역할을 하지만 내부에 결함이 있거나, 외부요인에 의한 대미지를 받을 경우 양극, 음극의 접촉으로 다량의 전자들이 이동하고 이때 발생하는 주울열로 인해 화재로 이어지게 됩니다. 

 

이러한 화재 메커니즘을 예방하기 위해서 국내 배터리 회사들은 안전성강화분리막(SRS, Safety Reinforced Separator)이라고 해서 PE나 PP필름 양면을 세라믹파우더로 코팅하여 열적, 물리적 안정성을 향상해 사용하고 있습니다. 

 

앞서 설명한 대로 배터리 화재 메커니즘 중에서 분리막의 외부 파손을 유발하는 원인 중 치명적인 것이 바로 덴드라이트(Dendrite)입니다. 일명 수지상정이라고도하는데 과충전 시 음극에서 일종의 나뭇가지가 자라듯이 덴드라이트가 자랄 수 있는데 침상형으로 생겨 성장에 따라 분리막을 뚫을 수 도 있습니다. 이렇게 되면 분리막의 역할을 제대로 할 수 없고, 양극과 음극의 접촉으로 인해 결국 화재로 이어질 수밖에 없습니다. 

 

미국 매사추세츠에 위치한 배터리 제조기술 및 설계업체인  '24M'에서는 과충전에 따른 화재위험성을 없앤 분리막을 소개했습니다. Impervio™라고 불리는 이 분리막은 전기차 및 에너지저장장치(ESS)에 사용되는 배터리의 안정성을 획기적으로 향상할 수 있습니다. 24M은 이번 분리막의 소개와 함께 증명을 위한 테스트 데이터를 공개하였습니다. 

 

배터리 과충전의 위험성 

배터리의 과충전은 안전충전 임계값을 초과하여도 계속 충전되면서 과열되는 경우로, 지난 한 해동안 과충전으로 인해 많은 전기차 화재가 발생되기도 했습니다. 하지만 최근 배터리관시시스템(BMS) 기술의 발전으로 사실상 SoC 량의 마진확보를 통해서 실제 과충전의 위험성을 많이 사라진 상태입니다. 

 

예를 들어 NCM(니켈, 코발트, 망간) 배터리 양극재 100% 용량은 g당 275mAh 수준인데 실제 사용하도록 설정된 값은 200 ~210mAh 정도이고, 사용자 입장에서는 해당 값을 100% 세팅해 사용하기 때문에 원래 배터리 양극 수준의 100%를 사용할 수 없게 되어 있습니다. 

 

하지만 덴드라이트는 여전히 화재 유발로 이어질 수 있는 위험인자로 관리의 대상이기도 합니다. Impervio분리막은 개별 전극 수준에서 셀을 제어하여 덴드라이트의 성장을 방지하고 조기 결함을 감지함으로써 덴드라이트의 전파를 방해하는 역할을 합니다. 

 

24M 연구소에서는 Impervio분리막을 사용한 10Ah NMC 파우치형 배터리셀과 일반 분리막을 사용한 배터리셀의 성능과 안전성을 비교하는 실험을 실시하였습니다. 두 셀을 모두 완전히 충전된 상태로 만든 뒤 100% 과용량 또는 제조업체의 지정 최대전압의 2배까지 인가한 뒤 상태를 비교했습니다. 1시간 경과 시까지 상태를 지켜본 결과 Impervio분리막을 사용한 배터리는 과충전으로 인한 단락이나 과열현상이 발생하지 않은 반면 기존 분리막을 사용한 배터리 셀은 15분 뒤 과충전으로 인한 덴드라이트로 인해 마이크로 쇼트가 발생되었고, 38분 후에는 폭발 후 화재로 이어졌습니다. 

 

전기차의 화재안전성은 운송수단의 전동화에 있어서 최우선 과제입니다. 안전성이 확보되지 않은 차량은 어느 누구에게도 선택받을 수 없기 때문입니다. 전기차 회사들이 새로운 배터리안전기술의 혁신을 요구하는 이유가 여기에 있습니다. 

얼마 전 소개드린 'LG화학'의 안전성강화기능층(Safety Reinforced Layer)을 통한 화재 억재기술과 더불어 배터리 소재의 화재방지 기술이 점점 더 발전하고 있습니다. 양산형 배터리 사용하기까지 여러 문제들을 해결해야 하지만 분명 방법에 대한 확신이 있는 만큼, 대량생산도 멀지 않았다고 생각합니다. 

 

https://unpredictable.tistory.com/599

전기차 화재 막을 결정적 실마리, LG화학이 찾았다.